Блокчейн - это децентрализованная бухгалтерская книга для записи данных. Это технология, лежащая в основе криптовалют. В отличие от ручной бухгалтерской книги, блокчейн неизменяем, любая запись в блокчейне является окончательной и не может быть испорчена. Среди особенностей, способствующих уникальности блокчейна, - дерево Меркла и корень Меркла.

Дерево Меркле является неотъемлемой частью блокчейна. Это помогает эффективно проверять транзакции и поддерживать целостность информации, хранящейся в блокчейне. В децентрализованной сети, такой как Bitcoin, где у каждого есть копия данных сети, существует необходимость проверки достоверности таких данных для обеспечения согласованности. Давайте рассмотрим, как дерево Меркла и корень Меркла применимы в блокчейне.

Что такое дерево Меркла?

Дерево Меркла - это структура, используемая для эффективной и действенной проверки и поддержания целостности данных в наборе. Он состоит из нескольких хэшей транзакций, расположенных в древовидной структуре. Хэш-функции используются в блокчейне для простого и последовательного представления деталей транзакции. Другими словами, хэширование - это прием входных данных любой длины и возвращение выходных данных фиксированной длины. Использование хэш-функций для представления информации облегчает эффективную работу с большими объемами информации.

Дерево Меркле было разработано в 1980 году профессором Стэнфорда Ральфом Меркле. Он представил эту технологию в своей работе о цифровых подписях под названием "Сертифицированная цифровая подпись". Деревья Меркле в основном используются в одноранговых сетях (P2P), где происходит обмен информацией и ее независимая проверка. Дерево Меркле широко используется в таких криптовалютах, как Биткоин, для проверки достоверности транзакций.

Блокчейн, как следует из названия, состоит из блоков, связанных между собой. Каждый блок способен вмещать тысячи транзакционных данных. Проверка транзакций в сети потребует много места и вычислительной мощности. Но с помощью дерева Меркла транзакции могут быть проверены без необходимости просматривать тысячи транзакций в сети.

Транзакции группируются в пары, хэш каждой пары находится и хранится в родительском узле. Родительские узлы также объединяются в пары, их хэш находится и сохраняется на один уровень выше. Эта тенденция продолжается до тех пор, пока мы не доберемся до корня хэш-дерева. В целом, существует три типа узлов на дереве Меркла.

1. Листовой узел: Каждая транзакция в блоке имеет свое хэш-значение. Это хэш-значение хранится на листовом узле.
2. Нелистовой узел: Этот узел состоит из хэш-значений различных узлов листа. Он является посредником между листовым узлом и корневым узлом.
3. Корневой узел: Это корень дерева Меркла и содержит один хэш, представляющий все транзакции в блоке, который хранится в заголовке блока.

При вышеуказанной структуре проверка потребует только проверки заголовка блока, а не всей системы. Считается, что дерево Меркля является бинарным. Это означает, что для правильного построения дерева Меркла число листовых узлов должно быть четным. Но в ситуации, когда у нас нечетное количество листовых узлов, последний дублируется, чтобы сделать его четным.

Что такое корень Меркла?

Корень merkle - это хэш всех хэшей транзакций в дереве merkle. Когда транзакции успешно сопряжены и хешированы, результатом является корень Меркла. Изменение в любых данных приведет к изменению корня Меркла. Таким образом, merkle root гарантирует, что никакие данные в сети не будут изменены.

Как работает дерево Меркла?

Дерево Меркла разбивает объемные данные на более мелкие единицы, которые легко обрабатывать. Он объединяет все транзакционные данные в блоке для создания единого цифрового отпечатка пальца. Таким образом, проверка транзакций становится проще и быстрее.

Дерево Меркле формируется путем объединения и хеширования различных пар узлов. Результатом является корень Меркла. Структура дерева Меркла идет снизу вверх (от корня к листьям). Различные транзакции из листовых узлов объединяются в пары для формирования нелистовых узлов, пока мы не доберемся до корневого узла.

Чтобы лучше понять дерево Меркла, рассмотрим блок с 8 различными транзакциями, T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7 и T8. Каждая транзакция хэшируется для получения H1, H2, H3, H4, H5, H6, H7 и H8. Затем хэши объединяются в пары и снова хэшируются, чтобы получить H(12), H(34), H(56) и (H78). Результат снова объединяется в пару и хэшируется, чтобы получить H(1234) и H(5678). Дальнейший шаг позволит получить H(12345678) в качестве корня Меркла. На диаграмме ниже представлено дерево Меркле, построенное на основе 8 различных транзакций в блоке.

Приведенное выше объяснение дает Вам представление о концепции дерева Меркла, хотя оно сложнее, чем то, что мы имеем. Сгенерированный в итоге корень Меркла хранится в заголовке блока и используется в процессе добычи. Например, в сети Bitcoin заголовок блока хэшируется, вместо того, чтобы заниматься отдельными транзакциями. С корнем Меркла, присутствующим в заголовке блока, любое изменение в исходных данных будет легко обнаружено. Это делает всю систему защищенной от взлома.

Преимущества дерева Меркла

Использование дерева Меркл и корней Меркл в блокчейне дает очень много преимуществ. Среди них выделяются:

Эффективный процесс проверки данных

Дерево Меркле обеспечивает эффективное средство проверки транзакций, не потребляя много вычислительной мощности.

Меньший объем памяти

Проверка транзакций с помощью дерева Меркла не требует загрузки всего блокчейна. Поэтому для вычислений требуется меньше места по сравнению с другими структурами данных.

Быстрые транзакции

Поскольку транзакции объединяются в пары и создается единый хэш, передача информации по сети становится быстрее. Это одна из основных причин того, что перевод криптовалют происходит очень быстро.

Обнаружение несанкционированного проникновения

Дерево Меркла позволяет обнаружить, когда транзакция была подделана. Когда транзакция хэшируется и хранится в блокчейне, изменение исходной информации также приведет к изменению хэша. Это можно обнаружить, сравнив текущий хэш с хэшем, хранящимся в заголовке блока.

Почему деревья Меркл и корни Меркл важны в блокчейне

Блокчейн состоит из цепочек блоков. Один блок может содержать до тысячи различных транзакций. Корневой хэш, полученный в конце дерева Меркла, суммирует все транзакции, содержащиеся в данном блоке. Это делает процесс проверки эффективным, и любое изменение будет легко обнаружено.

В ситуации, когда дерево Меркла не используется, каждый узел в сети будет иметь свою копию бухгалтерской книги. Проверка транзакций в такой системе потребует просмотра всех копий узла и их сравнения. Сравнение различных версий бухгалтерской книги потребует больших вычислительных мощностей и объема памяти. Но с помощью дерева Меркла этот процесс обходится, и проверка становится возможной при минимальных вычислительных мощностях.

Применение деревьев Меркле и корней Меркле в блокчейне

Деревья Меркла и корни Меркла очень важны в блокчейне. В сети Биткоин и других криптовалютах они необходимы в процессе майнинга и верификации.

Майнинг

Дерево Меркле является неотъемлемой частью сети Биткойн. Для проверки транзакций и добавления новых блоков, майнерам в сети поручается хэширование данных для получения результата, соответствующего определенным условиям. Это может стоить триллионов попыток, прежде чем будет найден правильный вывод. Для этого майнеры продолжают угадывать случайные числа, чтобы получить результат.

Процесс добычи становится проще и эффективнее при использовании корневого хэша. Все, что необходимо, это построить правильное дерево Меркла, используя различные транзакции. Затем поместите корневой хэш в заголовок блока. Таким образом, во время майнинга Вам нужно хэшировать только заголовок блока, а не весь блок.

Верификация

При запуске узла на устройстве с ограниченной вычислительной мощностью. Будет невозможно загрузить и хэшировать все транзакции в блоке. Здесь необходимо меркл-доказательство (доказательство того, что определенная транзакция присутствует в блоке). Это уменьшает количество хэширования, которое необходимо выполнить, следовательно, транзакции могут быть проверены с помощью устройства.

Заключение

Деревья Меркле и корни Меркле предназначены для улучшения проверки данных в блокчейне. Эти инструменты помогают обеспечить достоверность транзакций без необходимости загружать всю сеть. Именно они сегодня стоят у истоков создания мобильных кошельков. Пользователи могут взаимодействовать с блокчейном без необходимости иметь полную копию бухгалтерской книги.